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Methodik raumakustischer Optimierung

Raumakustische Optimierung fängt schon an beim architektonischen Entwurf !

Denn auch die Raum-Form bestimmt "die Akustik" bzw. die grundlegende Eignung für bestimmte Zwecke. Z.B. sind rechteckige ("Schuhkarton"-) Räume als Konzertsäle günstig (beste Beispiele: Wiener Musikvereinssaal, Laeisz-Halle Hamburg), trapezförmige (sich nach hinten allzu stark weitende) ungünstig - wegen des mangelnden Seitenschalls. Ungünstige Raumformen oder "gestalterisch" bedingte Vorgaben bestimmter Wandmaterialien können akustisch irreparabel sein (s. "raumakustische Simulation.). Die Annahme also, der Architekt könne erstmal den Raumentwurf machen, und die Akustiker könnten es dann durch Wahl geeigneter "Materialien" (möglichst unauffällig) "schon richten", ist zwar weit verbreitet, aber in vielen Fällen falsch. Dennoch gibt es keineswegs zwingende akustische Regeln darüber, wie ein Raum genau gestaltet sein muss, sondern zahlreiche architektonische Freiheiten - freilich im Rahmen gewisser Regeln darüber, was günstig und was ungünstig ist.

Eine dieser Regeln ist ganz einfach: Die Oberflächen des Raumes sollten möglichst stark untergliedert bzw. gestaltet sein (im Maßstab typischer Wellenlängen, d.h. weniger Dezimeter). Das fördert die Ausbildung des gewünschten "diffusen Schallfeldes". Große, glatte Flächen sind zu vermeiden ! Die barocken Baumeister hatten dazu zwar noch keine wissenschaftlichen Erkenntnisse im heutigen Sinn, wussten aber empirisch, was akustisch gut ist. 
Gute Beispiele: "Michel" in Hamburg, Balkone Semper-Oper in Dresden.

Zu den architektonischen "Todsünden" zählen (bei gewissen eng begrenzten Ausnahmen, s. Veröffentlichungen) folgende Formen:

  • Kreis- oder sogar kuppelförmige Räume (wegen der Brennpunktbildung)
  • große, glatte Wände,  besonders dann, wenn planparallel zu einander (wegen Flatterechos).

Negativbeispiel für beide Fehler: Ehemaliger Plenarsaal des Deutschen Bundestages in Bonn. (s. "raumakustische Simulation")

Warum haben dann antike Amphitheater die so berühmte "gute
Akustik" ? Nun: bei ihnen sind nur die Zuschauerreihen kreisförmig
angeordnet, reflektierende Rückwände mit kreisförmigen Grundriss
aber gibt es nicht, günstig bei ihnen ist einfach " wegen der stark
ansteigenden Reihen " die freie Schallausbreitung über
absorbierendem Publikum. Im Übrigen ist ihre "Akustik" wegen des
fehlenden Nachhalls auch nur für Sprache, nicht für Musik günstig,
antikes Theater war Sprechtheater.
 

A) Optimierungsstufe I: Nachhallzeitoptimerung
Voraussetzung für jede weitere Detailarbeit ist eine Optimierung der Nachhallzeit. Die Nachhallzeit lässt sich (obwohl das Schallfeld höchst kompiziert ist eigentlich erstaunlicherweise) in den meisten Fällen (nämlich unter der Idealbedingung des "diffusen Schallfeldes") ungefähr mit der berühmten "Sabine´schen"  Formel berechnen, die so einfach und gleichzeitig so wichtig für das Verständnis nötiger Verbesserungsmaßnahmen ist, dass sie hier angegeben sei: Die Nachhallzeit T ist proportional dem Raumvolumen V und umgekehrt proportional der äquivalenten Absorptionsfläche A:

T=0.161* V/A 
(V in m³, A in m², T in s)

Jene ist die Summe aus den Produkten Fläche mal Absorptionsgrad (100m² zu 50% absorbierende Fläche zählen z.B. als 50m² äquivalente Absorptionsfläche).
Will man z.B. wie bei vielen Sanierungsfällen - die Nachhallzeit halbieren, muß man also die Absorptionsfläche verdoppeln. Das kann bedeuten, dass viele hunderte Quadratmeter Raumoberfläche umzugestalten sind ! Dies ist aus physikalischen Gründen zwingend, also nicht wegzudiskutieren. Eine weitere praktische Folge aus der einfachen Summation der Absorptionsflächen in der Sabine´schen Formel ist:  Gibt es (nicht-akustische) Gründe gegen die Verkleidung einer Fläche mit einem Schallabsorber, muss eine Ersatzfläche gefunden werden. 

Für die Nachhallzeiten gibt es , abhängig von der Raumnutzung (Sprache / Musik) verschiedene Sollwertebereiche (grob: 1 s für Sprache, 2s für Musik, s. "Raumakustik/"Gute Akustik""). Auch das erzwingt Kompromisse. Eine "optimale Akustik" für Alles gibt es also nicht. (Insofern ist Vorsicht vor Ausdrücken wie "Akustikdecke" o.ä. geboten - damit sind schallabsorbierende Verkleidungen gemeint - ob aber mehr Schallabsorption überhaupt günstig ist, kann fraglich sein.) Nötig ist eine Optimierung für alle Frequenzbereiche, denn die Nachhallzeiten müssen in allen Bereichen bestimmte Sollwerte erreichen, wenn auch die Klangfarbe des Raumes ausgewogen sein soll. Das Ergebnis wird eine gewisse, optimale Mischung von Schallabsorbern sein. Die Prozedur zur Optimierung der Nachhallzeiten für alle Frequenzbereiche ist oft schwierig, ein Näherungsverfahren, das jedoch mit einiger Erfahrung sicher zum Ziel führt. Die Optimierung der Nachhallzeit ist nicht alles, aber Voraussetzung für jede weitere Optimierung.

B) Eine kurze Übersicht über Schallabsorber
- worauf kommt es an, worauf nicht ?
Schallabsorber, d.h. schallschluckende Flächen, werden klassifiziert nach dem Frequenz- bzw. Tonhöhen-Bereich, in dem sie hauptsächlich wirken. Dabei zählt nicht nur die Oberfläche bzw. das oberflächlich sichtbare Material, sondern der Hintergrund bzw. der ganze Aufbau, vor allem, inwieweit dieser schwingungsfähig ist. Hauptsächlich zählt sogar nur die Flächenmasse einer Verkleidung, das Material, etwa ob Holz oder Gipskarton, ist (entgegen manchem Vorurteil) fast gleichgültig; umsomehr ist die Tiefe des Luftpolsters dahinter wichtig. Hohe Frequenzen werden eher von porösen Stoffen absorbiert. Grundsätzlich sind in der Akustik alle Effekte frequenz- (d.h. tonhöhen-) abhängig. Das beeinflußt die Klangfarbe. Praktische Folge:  Man kann also nicht einen Absorber für tiefe Töne (z.B. Holzplattenverkleidungen) durch einen für hohe (z.B. Vorhänge) ersetzen.

Die wichtigste, da meist über die größte Fläche ausgedehnte Absorber in einem Auditorium ist das Publikum selbst. Nach der Sabine´schen Formel sind daher die Nachhallzeiten von Sälen mit und ohne Publikum oft äußerst unterschiedlich, der erste Grund, weswegen bei der Optimierung Kompromisse nötig sind (mit/ohne Publikum).

a) Absorber für tiefe Frequenzen
sind fast immer Resonanzabsorber bzw. Plattenabsorber. Hierbei schwingt eine Masse vor einem elastischen Material, meist Holz- oder Gipskartonplatten vor einem Luftpolster (="Feder"). Das Material ist fast gleichgültig, nur die Masse zählt; je tiefer der Luftraum dahinter, desto tiefer, ähnlich wie bei Musikinstrumenten,  die Resonanzfrequenz, d.h. der Bereich maximaler Absorption; der Abstand Plattenverschalung /Hinterwand beträgt meist 10-20cm; ähnlich wirken (ungewollt) auch die meisten Holzeinbauten wie Bänke, Geländer, Böden etc. Dies ist bei Umbauvorhaben, etwa in Kirchen, zu beachten, damit die Nachhallzeit bei tiefen Frequenzen nicht ungewollt steigt !

Zur gezielten Absorption besonders tiefer Frequenzen bei anspruchsvollen Fällen eignen sich auch Helmholtz- oder Hohlraum-Resonatoren (Prinzip wie beim Pfeifen auf Flaschenhälsen: Eine Luftmasse im Flaschenhals schwingt vor einem Luftpolster im Volumen dahinter). Diese können viele Formen aufweisen, z.B. Röhren, Lochsteine. Nach außen sind nur Löcher sichtbar; Helmholtz-Resonatoren sind besonders in Raumkanten sehr wirkungsvoll (zu besichtigen in manchen mittelalterlichen Kirchen.)

b) Absorber für mittlere Frequenzen
basieren meist auf einer Kombination der Prinzipien von Tiefen- und Höhenabsorbern, also der Masse-Feder-Resonanz und der Reibung an faserigen Stoffen oder engen Öffnungen; dazu zählen vor allem Lochplattenabsorber (LPA); z.B. die von Bürodecken u.ä. bekannten gelochten oder geschlitzten Platten (meist aus Gipskarton), mit dahinter liegenden Hohlräumen, mit Mineralwolle gedämpft;
hierbei kommt es zusätzlich auf den Loch- oder Schlitz-flächenanteil der Oberfläche an.  LPA können aus verschiedenen Plattenmaterialien, in den verschiedenartigsten Farben und Formen hergestellt werden. Viele Angebote sind auf dem Markt - sogar auch gewölbte Platten etwa zu Verkleidung von Kirchengewölben (!) Damit sind bei Bedarf auch optisch sehr unauffällige Wandverkleidungen möglich.
In jüngerer Zeit sind auch fein gelochte mikroperforierte Platten oder Membranen erhältlich; hierbei ersetzt die Reibung in den extrem engen (meist Laser-gebohrten) Löchern die Reibung in faserigen Stoffen, die somit entfallen können; so können für besondere Anwendungsfälle, etwa bei architektonisch gewünschten Glasfassaden - auch fast lichttransparente Plattenabsorber hergestellt werden. Diese Lösungen sind allerdings teuer.

c) Absorber für hohe Frequenzen
basieren meist auf Reibung der schwingenden Luft an faserigen Stoffen;
hierzu zählen 
-        Teppichboden; diese sind jedoch (falls nicht sehr dick) nur bei 
         höheren Frequenzen wirksam (!);

-        Vorhänge, möglichst schwere, wenig transparente Stoffe mit  
         gewissem Abstand vor der Wand,  am besten mehrfachgerüscht
         (d.h. mehrfache höhere Stofffläche als verdeckte Wandfläche);
         ihr Vorteil: bei Bedarf (viel Publikum) sind sie leicht wegziehbar  -
         damit sind variable Nachhallzeiten erreichbar (!);
-        "Akustikputz", d.h. poröser, schallabsorbierender Putz; 
           
Vorteil: auch auf gewölbten Flächen einsetzbar, Nachteil: wirkt
         nur bei hohen Frequenzen; 
-        (eher für technische Umgebungen) Faserstoffe, die meist durch 
         ein Gitter mit hohem Lochanteil abgedeckt sind
-        Polsterstühle : je dicker gepolstert, desto wirksamer auch bei
         mittleren Frequenzen , werden oft gezielt als Ersatz für nicht-
         vorhandenes Publikum genutzt; helfen also, wie kein anderer
         Absorber , den nachteiligen Unterschied mit/ohnePublikum zu 
         nivellieren.
-         das Publikum selbst wirkt, ähnlich wie Vorhänge (da auf der
         Kleidung beruhend) bereits bei mittleren Frequenzen; der
         Absorptionsgrad hängt noch von Dichte und Art der Bestuhlung 
         u.a. ab.

C) Optimierungsstufe II: early reflection design und Optimierung weiterer raumakustischer ParameterBei höheren Anforderungen, insbesondere in großen Auditorien, werden noch weitere Ziele verfolgt: die Optimierung der räumlich gleichmäßigen Schall-Verteilung durch Lenkung nützlichen, "frühen" Schalls, Vermeidung störender Echos, der Balance zwischen unterschiedlichen Orchestergruppenfindung. Dazu müssen die Raum-Form, die Orte der Schall-Absorber sowie geometrische, schalllenkende Maßnahmen  (Reflektoren, Diffusoren) betrachtet werden. Hierzu gibt es eine ganze Menge Erfahrungsregeln, vielfach geometrisch-anschaulich nachvollziehbar. Dies betrifft die Reflexionen erster Ordnung. 

Sollen die raumakustischen Qualitätsparameter im Voraus wirklich bestimmt werden, bedarf es der Simulation: entweder physikalisch im Modell 1:10-1:20 (mit Ultraschallmesstechnik: genau, sehr aufwändig und teuer) oder der Computersimulation, die heute in anspruchsvollen Fällen fast ausschließlich verwendet wird. (Sie ist zwar elegant und flexibel, aber physikalisch, da die Schallbeugung bis heute nicht ausreichend simuliert wird,  etwas ungenau, die Auralisation hat noch kleine Mängel.) Hierfür gibt es heute ausgereifte Simulationsprogramme auf Basis der Strahlverfolgungsmethode (wie z.B. das vom Autor entwickelte Programm SOPRAN). Freilich ist hierzu die Erfassung der gesamten Raumgeometrie nötig. Dies erfordert beträchtlich mehr Arbeit als o.g. Standardoptimierung. Das Ergebnis aber ist äußerst aussagekräftig und nützlich: Angaben über alle raumakustischen Parameter, z.B. in Form farbiger Landkarten (s. raumakustische Simulation)

D) Auralisation
Über die raumakustische Simulation noch hinaus geht die "Auralisation", d.h. Hörbarmachung der raumakustischen Eigenschaften von Auditorien.
Damit kann man in erst geplante (auf dem Computer simulierte) Räume per Kopfhörer "hineinhören", sich Musik- oder Sprachbeispiele anhören, als ob sie in jenen Räumen erklängen. Das hat den großen Vorteil, sich "anhörlich" vorstellen zu können, wie der Raum nach einer Maßnahme letztlich klingen wird, hilft also Fehleinschätzungen zu vermeiden. Zur Auralisation werden die vorberechneten Raumimpulsantworten für einen bestimmten Hörerplatz, jeweils für das linke und rechte Ohr und für verschiedene Einfallsrichtungen, zunächst verrechnet mit den richtungsabhängigen "Außenohrübertragungsfunktionen" des Hörers. (Diese beinhalten die Informationen über das Richtungshören des Menschen.) Sodann werden diese Impulsantworten für beide Ohren "gefaltet" mit zuvor echofrei (d.h. in "schalltoten" Räumen) aufgenommenen Musik- oder Sprachsignalen. Diese erklingen dann im Kopfhörer so, als ob gespielt bzw. gesprochen in dem geplanten Raum. Die Auralisation ist heute Stand der Technik (bis auf gewisse Defizite freilich, die aber oft nur Experten hören.) (s. Veröffentlichungen).

 

© 2006 Uwe M. Stephenson